チップ間誘導結合通信を用いた形状自在計算機システム

2021年8月15日 08:27

門本淳一郎

（東京大学）

------------------ keyword ------------------
無線通信
コンピュータアーキテクチャ
ユーザインタフェース
----------------------------------------------

【背景】組み込みデバイスの多様化・多機能化
【問題】計算機システムのサイズと固定的な実装形状
【貢献】無線接続された複数小型チップから成る計算機の提案と実装

　計算機システムはその小型化や低消費電力化にともなって多様なデバイスへと組み込まれるようになり，我々の生活空間に浸透している．計算機システムの今後のアプリケーションとして注目すべきものに，形状変化する組み込みデバイスがある．たとえばミリメートルスケールのサイズへとコンパクトに折りたたまれ，変形するマイクロロボットが提案されている．また，群れを成すマイクロボットやそれらから組織的に構成されるユーザインタフェースの研究が進められている．こうした研究の視線の先には，デバイス上への計算機搭載による高度な協調分散処理の実現がある．ここで搭載における大きな課題は計算機の物理的なサイズと実装手法である．

　計算機システムの実装手法として，SiP（System-in-a-Package）が注目を浴びるようになっている．これは，無線通信回路チップやセンサチップといった複数の異なるチップを集積し多機能なシステムを実現するものである．しかし既存のSiPは，複数の構成要素を単一のチップ上へと搭載するSoC（System-on-a-Chip) と同様，センチメートルスケールのパッケージへと固定的に格納されることを前提とした実装手法となっており，実装形状や製造コストの点で形状変化する組み込みデバイスには適していない．

　このような背景の下，本研究では形状変化する組み込みデバイスに向けた新たな計算機実装手法として，形状自在計算機システムを提案した．ここでは隣接して配置された複数の小型チップが無線接続されることで組織的に1つのシステムを構成し，多様な機能・形状とその変更を実現する．

　論文では，提案システムの要となるチップ間無線通信技術として，オンチップアンテナ間の誘導結合を活用した無線バスを提案した．アンテナは標準的な内部配線を用いて形成するため追加の加工コストは不要である．既存の搬送波を利用したチップ間無線通信技術と比較して高速かつ低消費電力なチップ間通信が達成可能であること，有線通信と同等の信頼性を持つことを電磁界シミュレーションによる解析とテストチップの実測評価を通して明らかにした．また，提案する無線通信回路を搭載したプロセッサチップにおける電磁的干渉の課題やインタフェース仕様について整理し，その設計指針を示した．汎用プロセッサコアと無線通信回路を混載したテストチップを実際に設計・製造し，隣接配置した複数のプロセッサチップ間での無線通信が可能であることを実測評価によって明らかにした．最後に形状自在計算機システムのプロトタイプを示すとともに，開拓されるアプリケーション領域について議論を行った．

（2021年4月26日）
（2021年8月15日note公開）

ーーーーーーーーーーーーーーーーーー
　取得年月日：2021年3月
　学位種別：博士（情報理工学）
　大学：東京大学
ーーーーーーーーーーーーーーーーーー

推薦文：（システム・アーキテクチャ研究会）
これからの微小コンピュータを実現する「形状自在コンピュータ」の構成を提案し，設計の要点を体系化した論文です．半導体チップの周辺に近接場通信用のリングを配置し，複数の微小チップが位置を変えながら隣接協調することで，これまでコンピュータが入り込めなかったような細部や可変部分への計算力付与を可能とします．

門本淳一郎（正会員）

研究生活：無線通信と計算機とに興味があり，したがって，無線通信する計算機について研究を行ってきました．当初は集積回路技術中心の研究内容でしたが，専門分野の異なる多くの方々との議論を通じてシステムアーキテクチャやアプリケーションへと話題が拡がっていきました．在学中は悩むことばかりだったような気もしますが，数年という期間，何よりも個人として，無謀にも思われる問題へと向き合えたことは終わってみるとやはり愉しいものだったように思います．複雑な物事を構造的に整理し，科学的知見をもってそれを馴致する，そういった能力を育むにあたって博士課程への進学は魅力ある選択肢だと思います．